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时序逻辑电路51时序逻辑电路的基本概念1时序逻辑电路
第5章时序逻辑电路 5.1 时序逻辑电路的基本概念 1.时序逻辑电路的结构及特点 时序逻辑电路在任何时刻的输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路的原状态有关，触发器就是最简单的时序逻辑电路，时序逻辑电路中必须含有存储电路。时序电路的基本结构如图5.1 所示，它由组合电路和存储电路两部分组成。 图5.1 时序逻辑电路框图 时序逻辑电路具有以下特点： （1）时序逻辑电路通常包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路要记忆给定时刻前的输入输出信号，是必不可少的。 （2）时序逻辑电路中存在反馈，存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合逻辑电路的输出。 2.时序逻辑电路的分类 （1）按时钟输入方式 时序电路按照时钟输入方式分为同步时序电路和异步时序电路两大类。同步时序电路中，各触发器受同一时钟控制，其状态转换与所加的时钟脉冲信号
都是同步的；异步时序电路中，各触发器的时钟不同，电路状态的转换有先有后。同步时序电路较复杂，其速度高于异步时序电路。 （2）按输出信号的特点 根据输出信号的特点可将时序电路分为米里（Mealy）型和摩尔（Moore）型两类。米里型电路的外部输出Z既与触发器的状态Q n有关，又与外部输入X 有关。而摩尔型电路的外部输出Z仅与触发器的状态Q n有关，而与外部输入X 无关。 （3）按逻辑功能 时序逻辑电路按逻辑功能可划分为寄存器、锁存器、移位寄存器、计数器和节拍发生器等。 3.时序逻辑电路的逻辑功能描述方法 描述一个时序电路的逻辑功能可以采用逻辑方程组（驱动方程、输出方程、状态方程）、状态表、状态图、时序图等方法。这些方法可以相互转换，而且都是分析和设计时序电路的基本工具。 5.2 时序逻辑电路的分析方法和设计方法 1.时序逻辑电路的分析步骤 （1）首先确定是同步还是异步。若是异步，须写出各触发器的时钟方程。（2）写驱动方程。 （3）写状态方程（或次态方程）。 （4）写输出方程。若电路由外部输出，要写出这些输出的逻辑表达式，即输出方程。
第六章时序逻辑电路 一、选择题 1．同步计数器和异步计数器比较，同步计数器的显著优点是。 A.工作速度高 B.触发器利用率高 C.电路简单 D.不受时钟CP控制。 2．把一个五进制计数器与一个四进制计数器串联可得到进制计数器。 A.4 B.5 C.9 D.20 3．下列逻辑电路中为时序逻辑电路的是。 A.变量译码器 B.加法器 C.数码寄存器 D.数据选择器 4.N个触发器可以构成最大计数长度（进制数）为的计数器。 A.N B.2N C.N2 D.2N 5.N个触发器可以构成能寄存位二进制数码的寄存器。 A.N-1 B.N C.N+1 D.2N 6．五个D触发器构成环形计数器，其计数长度为。 A.5 B.10 C.25 D.32 7．同步时序电路和异步时序电路比较，其差异在于后者。 A.没有触发器 B.没有统一的时钟脉冲控制 C.没有稳定状态 D.输出只与内部状态有关 8．一位8421BCD码计数器至少需要个触发器。 A.3 B.4 C.5 D.10 9.欲设计0，1，2，3，4，5，6，7这几个数的计数器，如果设计合理，采用同步二进制计数器，最少 应使用级触发器。 A.2 B.3 C.4 D.8 10．8位移位寄存器，串行输入时经个脉冲后，8位数码全部移入寄存器中。 A.1 B.2 C.4 D.8 11．用二进制异步计数器从0做加法，计到十进制数178，则最少需要个触发器。 A.2 B.6 C.7 D.8 E.10 12．某电视机水平-垂直扫描发生器需要一个分频器将31500H Z的脉冲转换为60H Z的脉冲，欲构成此分频器至少需要个触发器。 A.10 B.60 C.525 D.31500
第8章组合逻辑电路 【课题】 8.1概述 【教学目的】 了解组合逻辑电路和时序逻辑电路的电路结构特点及功能特点。 【教学重点】 1.数字逻辑电路的分类和特点。 2.常用的组合逻辑电路种类。 3.会区分数字逻辑电路的类型。 【教学难点】 区分数字逻辑电路的类型。 【教学方法】 讲授法 【参考教学课时】 1课时 【教学过程】 一、复习提问 1.基本逻辑门电路有哪几种，它们的逻辑功能是什么？ 2.画出与非门逻辑符号并说明其逻辑功能。 二、新授内容 1.组合逻辑电路 （1）特点：数字逻辑电路中输出信号没有反馈到输入端，因此任意时刻的输出信号状态只与当前的输入信号状态有关，而与电路原来的输出状态无关。 （2）电路组成框图：教材图8.1。 2.时序逻辑电路 （1）特点：数字逻辑电路中输出信号部分反馈到输入端，输出信号的状态不但与当前的输入信号状态有关，而且与电路原来的输出状态有关。因此，这种电路有记忆功能。 （2）电路组成框图：教材图8.2。 三、课堂小结 1.组合逻辑电路的特点。
2.时序逻辑电路的特点。 四、课堂思考 P176思考与练习题。 五、课后练习 对逻辑代数作重点复习并预习下节课的内容（8.2组合逻辑电路的分析）。 【课题】 8.2组合逻辑电路的分析 【教学目的】 掌握组合逻辑电路的分析方法和步骤。 【教学重点】 1.组合逻辑电路的分析方法和步骤。 2.会对给定的组合逻辑电路进行功能分析。 【教学难点】 对给定的组合逻辑电路作功能说明，并用文字描述。 【教学方法】 讲授法、练习法 【参考教学课时】 1课时 【教学过程】 一、复习提问 公式化简，用练习的方式进行。 二、新授内容 1．组合逻辑电路的分析步骤。 （1）根据给定的逻辑电路图，推导输出端的逻辑表达式。 （2）化简和变换 （3）列真值表 （4）分析说明 2．组合逻辑电路的分析举例 （1）老师举例讲解 （2）老师举例，学生讨论分析 例1 已知逻辑电路如图8.1所示，试分析其逻辑功能，要求写出分析过程。
第七章 几种常用的时序逻辑电路 一、填空题 1.（9-1易）与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的特点是：任何时刻的输出信号不仅与____________有关，还与____________有关，是______（a.有记忆性b.无记忆性）逻辑电路。 2.（9-1易）触发器是数字电路中______（a.有记忆b.非记忆）的基本逻辑单元。 3.（9-1易）在外加输入信号作用下，触发器可从一种稳定状态转换为另一种稳定状态，信号终止，稳态_________（a.不能保持下去 b. 仍能保持下去）。 4.（9-1中）JK 触发器是________（a.CP 为1有效b.CP 边沿有效）。 5.（9-1易）1n n n Q JQ KQ +=+是_______触发器的特性方程。 6.（9-1中）1n n Q S RQ +=+是________触发器的特性方程，其约束条件为___________。 7.（9-1易）1n n n Q TQ TQ +=+是_____触发器的特征方程。 8. （9-1中）在T 触发器中，若使T=____，则每输入一个CP ，触发器状态就翻转一次，这种具有翻转功能的触发器称为'T 触发器，它的特征方程是________________。 9.（9-1难）我们可以用JK 触发器转换成其他逻辑功能触发器，令 __________________，即转换成T 触发器；令_______________， 即转换为'T 触发器；令________________，即转换成D 触发器。 10.（9-1难）我们可以用D 触发器转换成其他逻辑功能触发器，令 __________________，即转换成T 触发器；令_______________， 即转换为'T 触发器。
触发器 一、单项选择题： (1)对于D触发器，欲使Q n+1=Q n，应使输入D=。 A、0 B、1 C、Q D、 (2)对于T触发器，若原态Q n=0，欲使新态Q n+1=1，应使输入T=。 A、0 B、1 C、Q (4)请选择正确的RS触发器特性方程式。 A、 B、 C、 (约束条件为) D、 (5)请选择正确的T触发器特性方程式。 A、 B、 C、 D、 (6)试写出图所示各触发器输出的次态函数(Q )。 n+1 A、 B、 C、 D、 (7)下列触发器中没有约束条件的是。 A、基本RS触发器 B、主从RS触发器 C、同步RS触发器 D、边沿D触发器 二、多项选择题： (1)描述触发器的逻辑功能的方法有。 A、状态转换真值表 B、特性方程 C、状态转换图 D、状态转换卡诺图 (2)欲使JK触发器按Q n+1=Q n工作，可使JK触发器的输入端。
A、J=K=0 B、J=Q,K= C、J=,K=Q D、J=Q,K=0 (3)欲使JK触发器按Q n+1=0工作，可使JK触发器的输入端。 A、J=K=1 B、J=0,K=0 C、J=1,K=0 D、J=0,K=1 (4)欲使JK触发器按Q n+1=1工作，可使JK触发器的输入端。 A、J=K=1 B、J=1,K=0 C、J=K=0 D、J=0，K=1 三、判断题： (1)D触发器的特性方程为Q n+1=D，与Q 无关，所以它没有记忆功能。（） n (2)同步触发器存在空翻现象，而边沿触发器和主从触发器克服了空翻。 （） (3)主从JK触发器、边沿JK触发器和同步JK触发器的逻辑功能完全相同。（） (8)同步RS触发器在时钟CP=0时，触发器的状态不改变( )。 (9)D触发器的特性方程为Q n+1=D，与Q n无关，所以它没有记忆功能( )。 (10)对于边沿JK触发器，在CP为高电平期间，当J=K=1时，状态会翻转一次( )。 四、填空题： (1)触发器有（）个稳态，存储8位二进制信息要 （）个触发器。 (2)在一个CP脉冲作用下，引起触发器两次或多次翻转的现象称为触发器的（），触发方式为（）式或（）式的触发器不会出现这种现象。 (3)按逻辑功能分，触发器有（）、（）、（）、（）、（）五种。 (4)触发器有（）个稳定状态，当＝0，＝1时，称为（）状态。 时序逻辑电路 一、单项选择题： (2)某512位串行输入串行输出右移寄存器，已知时钟频率为4MHZ，数据从输入端到达输出端被延迟多长时间？ A、128μs B、256μs C、512μs D、1024μs (3)4个触发器构成的8421BCD码计数器共有（）个无效状态。 A、6 B、8 C、10 D、4 (4)四位二进制计数器模为 A、小于16 B、等于16 C、大于16 D、等于10 (5)利用异步预置数端构成N进制加法计数器，若预置数据为0，则应将（）所对应的状态译码后驱动控制端。 A、N B、N－1 C、N+1 (7)采用集成中规模加法计数器74LS161构成的电路如图所示，选择正确答案。 A、十进制加法计数器 B、十二进制加法计数器
一、填空题 1. 基本RS触发器，当R、S都接高电平时，该触发器具有____ ___功能。 2．D 触发器的特性方程为___ ；J-K 触发器的特性方程为______。 3．T触发器的特性方程为。 4．仅具有“置0”、“置1”功能的触发器叫。 5．时钟有效边沿到来时，输出状态和输入信号相同的触发器叫____ _____。 6. 若D 触发器的D 端连在Q端上，经100 个脉冲作用后，其次态为0，则现态应 为。 7．JK触发器J与K相接作为一个输入时相当于触发器。 8. 触发器有个稳定状态，它可以记录位二进制码，存储8 位二进制信息 需要个触发器。 9．时序电路的次态输出不仅与即时输入有关，而且还与有关。 10. 时序逻辑电路一般由和两部分组成的。 11. 计数器按内部各触发器的动作步调，可分为___ ___计数器和____ __计数器。 12. 按进位体制的不同，计数器可分为计数器和计数器两类；按计数过 程中数字增减趋势的不同，计数器可分为计数器、计数器和计数器。13．要构成五进制计数器，至少需要级触发器。 14．设集成十进制（默认为8421码）加法计数器的初态为Q4Q3Q2Q1＝1001，则 经过5个CP脉冲以后计数器的状态为。 15．将某时钟频率为32MHz的CP变为4MHz的CP，需要个二进制计数器。 16. 在各种寄存器中，存放N 位二进制数码需要个触发器。 17. 有一个移位寄存器，高位在左，低位在右，欲将存放在该移位寄存器中的二 进制数乘上十进制数4，则需将该移位寄存器中的数移位，需要 个移位脉冲。 18．某单稳态触发器在无外触发信号时输出为0态，在外加触发信号时，输出跳 变为1态，因此其稳态为态，暂稳态为态。 19．单稳态触发器有___ _个稳定状态，多谐振荡器有_ ___个稳定状态。 20．单稳态触发器在外加触发信号作用下能够由状态翻转到状 态。 21．集成单稳态触发器的暂稳维持时间取决于。 22. 多谐振荡器的振荡周期为T=tw1+tw2，其中tw1为正脉冲宽度，tw2为负脉冲 宽度，则占空比应为____ ___。 23．施密特触发器有____个阈值电压，分别称作___ _____ 和___ _____ 。 24．触发器能将缓慢变化的非矩形脉冲变换成边沿陡峭的矩形脉冲。 25．施密特触发器常用于波形的与。 二、选择题 1. R-S型触发器不具有( )功能。 A. 保持 B. 翻转 C. 置1 D. 置0 2. 触发器的空翻现象是指（） A.一个时钟脉冲期间，触发器没有翻转 B.一个时钟脉冲期间，触发器只翻转一次 C.一个时钟脉冲期间，触发器发生多次翻转 D.每来2个时钟脉冲，触发器才翻转一次 3. 欲得到D触发器的功能，以下诸图中唯有图（A）是正确的。
第 5 章时序逻辑电路 5.1时序逻辑电路的基本概念 1.时序逻辑电路的结构及特点 时序逻辑电路在任何时刻的输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路的原状态有关，触发器就是最简单的时序逻辑电路，时序逻辑电路中必须含有存 储电路。时序电路的基本结构如图 5.1 所示，它由组合电路和存储电路两部分 组成。 图 5.1时序逻辑电路框图 时序逻辑电路具有以下特点： （1）时序逻辑电路通常包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路 要记忆给定时刻前的输入输出信号，是必不可少的。 （2）时序逻辑电路中存在反馈，存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的 输入端，与输入信号一起，共同决定组合逻辑电路的输出。 2.时序逻辑电路的分类 （ 1）按时钟输入方式 时序电路按照时钟输入方式分为同步时序电路和异步时序电路两大类。同步时序电路中，各触发器受同一时钟控制，其状态转换与所加的时钟脉冲信号都是同步的；异步时序电路中，各触发器的时钟不同，电路状态的转换有先有后。同 步时序电路较复杂，其速度高于异步时序电路。 （ 2）按输出信号的特点 根据输出信号的特点可将时序电路分为米里（Mealy）型和摩尔（Moore）型两类。米里型电路的外部输出 Z 既与触发器的状态 Q n有关，又与外部输入 X 有
关。而摩尔型电路的外部输出Z 仅与触发器的状态Q n有关，而与外部输入X 无关。 （ 3）按逻辑功能 时序逻辑电路按逻辑功能可划分为寄存器、锁存器、移位寄存器、计数器和节拍发生器等。 3.时序逻辑电路的逻辑功能描述方法 描述一个时序电路的逻辑功能可以采用逻辑方程组（驱动方程、输出方程、 状态方程）、状态表、状态图、时序图等方法。这些方法可以相互转换，而且 都是分析和设计时序电路的基本工具。 5.2时序逻辑电路的分析方法和设计方法 1.时序逻辑电路的分析步骤 （1）首先确定是同步还是异步。若是异步，须写出各触发器的时钟方程。 （2）写驱动方程。 （3）写状态方程（或次态方程）。 （4）写输出方程。若电路由外部输出，要写出这些输出的逻辑表达式，即输 出方程。 （5）列状态表 （6）画状态图和时序图。 （7）检查电路能否自启动并说明其逻辑功能。 5.2.1同步时序逻辑电路的设计方法 1.同步时序逻辑电路的设计步骤 设计同步时序电路的一般过程如图 5.10 所示。 图 5.10同步时序电路的设计过程
实验十Moore型同步时序逻辑电路的分析与设计 一．实验目的： 1.同步时序逻辑电路的分析与设计方法 2.掌握时序逻辑电路的测试方法。 二．实验原理： 1.Moore同步时序逻辑电路的分析方法： 时序逻辑电路的分析，按照电路图（逻辑图），选择芯片，根据芯片管脚，在逻辑图上标明管脚号；搭接电路后，根据电路要求输入时钟信号（单脉冲信号或连续脉冲信号），求出电路的状态转换图或时序图（工作波形），从中分析出电路的功能。 2.Moore同步时序逻辑电路的设计方法： （1）分析题意，求出状态转换图。 （2）状态分析化简：确定等价状态，电路中的等价状态可合并为一个状态。（3）重新确定电路状态数N，求出触发器数n，触发器数按下列公式求：2n-1 （7）利用卡诺图如图2，求状态方程、驱动方程。 （8）自启动检验：将各无效状态代入状态方程，分析状态转换情况，画出完整的 状态转换图，如图3所示，检查是否能自启动。 第 6 章 异步时序逻辑电路 异步时序逻辑电路中没有统一的时钟脉冲信号，电路状态的改变是外部输入信号变 化直接作用的结果。 根据电路结构和输入信号形式的不同，异步时序逻辑电路可分为脉冲异步时序逻辑 电路和电平异步时序逻辑电路两种类型。 两类电路均有 Mealy 型和 Moore 型两种结构模型。 6.1 脉冲异步时序逻辑电路 6.1.1 概述 一、结 构 脉冲异步时序电路的一般结构如下图所示。 图中，存储电路可由时钟控制触发器或非时钟控制触发器组成。 二、输入信号的形式与约束 1.输入信号为脉冲信号; 2.输入脉冲的宽度必须保证触发器可靠翻转; 3.输入脉冲的间隔必须保证前一个脉冲引起的电路响应完全结束后，后一个脉冲才 能到来; 4.不允许两个或两个以上输入端同时出现脉冲。对 n 个输入端的电路，其一位输入 只允许出现 n+1 种取值组合，其中有效输入种取值组合为 n 种。 三、输出信号的形式 脉冲异步时序逻辑电路的输出信号可以是脉冲信号也可以是电平信号。 6.1.2 脉冲异步时序逻辑电路的分析 一、分析方法与步骤 1. 分析方法 脉冲异步时序逻辑电路的分析方法与同步时序逻辑电路大致相同。 注意两点： ⑴当存储元件采用时钟控制触发器时， 对触发器的时钟控制端应作为激励函数处理。 仅当时钟端有脉冲作用时，才根据触发器的输入确定状态转移方向，否则，触发器 状态不变。 ⑵根据对输入的约束，分析时可以排除两个或两个以上输入端同时出现脉冲以及输 入端无脉冲出现情况，从而使图、表简化。 2. 分析步骤 (1) 写出电路的输出函数和激励函数表达式； (2) 列出电路次态真值表或次态方程组； (3) 作出状态表和状态图； (4) 用文字描述电路的逻辑功能（必要时画出时间图）。 二、 分析举例 例分析下图所示脉冲异步时序逻辑电路，指出该电路功能。 & 解:该电路由两个 J-K 触发器和一个与门组成，有一个输入端 x 和一个输出端 Z，输 出是输入和状态的函数，属于Mealy型脉冲异步时序电路。 ⑴ 写出输出函数和激励函数表达式 Z = xy2y1 J2 = K2 =1 ； C2 = y1 J1 = K1 =1 ； C1 = x ⑵ 列出电路次态真值表 J-K 触发器的状态转移发生在时钟端脉冲负跳变的瞬间，为了强调在触发器时钟端 C1、C2 何时有负跳变产生，在次态真值表中用“↓”表示下跳。仅当时钟端有“↓” 出 现时，相应触发器状态才能发生变化，否则状态不变。 第7章 时序逻辑电路 7.1 概述 时序电路在任何时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。 图7.1.1 时序逻辑电路的结构框图2、时序电路的分类 （1） 根据时钟分类 同步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲相同，即电路中有一个统一的时钟脉冲，每来一个时钟脉冲，电路的状态只改变一次。 异步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲不同，即电路中没有统一的时钟脉冲来控制电路状态的变化，电路状态改变时，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。 （2）根据输出分类米利型时序电路的输出不仅与现态有关，而且还决定于电路当前的输入。 穆尔型时序电路的其输出仅决定于电路的现态，与电路当前的输入无关；或者根本就不存在独立设置的输出，而以电路的状态直接作为输出。 7.2 时序逻辑电路的分析方法 时序电路的分析步骤： 电路图 时钟方程、输出方程、驱动方程 状态方程 计算 状态表（状态图、时序图） 判断电路逻辑功能 分析电路能否自启动。 7.2.1 同步时序电路的分析方法 分析举例：[例7.2.1] 7.2.2 异步时序电路的分析方法 分析举例：[例7.2.3] 7.3 计数器 概念：在数字电路中，能够记忆输入脉冲CP 个数的电路称为计数器。 计数器累计输入脉冲的最大数目称为计数器的“模”，用M 表示。计数器的“模”实际上为电路的有效状态。计数器的应用：计数、定时、分频及进行数字运算等。 计数器的分类： (1)按计数器中触发器翻转是否同步分：异步计数器、同步计数器。 (2)按计数进制分：二进制计数器、十进制计数器、N 进制计数器。 (3)按计数增减分：加法计数器、减法计数器、加/减法计数器。 7.3.1 异步计数器 X X Y 1 Y m 输入 输 出 异步时序逻辑电路分析方法案例说明 下图8.41为一multisim 的仿真的异步时序逻辑电路，试调试电路，分析该电路的功能。 图8.41 异步时序逻辑电路 由图8.41可知，FF1的时钟信号输入端是由FF0的输出相连，所以该电路为异步时序 逻辑电路。具体分析方法如下： 1.写方程式 时钟方程：FF 0和FF 2由CP 的下降沿触发，CP CP CP ==20。 FF 1由Q 0的输出的下降沿触发，01Q CP = 输出方程：n Q Y 2= 驱动方程：1,020==K Q J n ；1,111==K J ;1,2012==K Q Q J n n 状态方程： n n n n n Q Q Q K Q J Q 02000010=+=+,CP 下降沿有效； n n n n Q Q K Q J Q 1111111=+=+，Q0下降沿有效； n n n n n n Q Q Q Q K Q J Q 201222212=+=+，CP 下降沿有效 2.列状态转换真值表 上述状态方程只有在满足时钟条件后，将现态的各种取值代入计算才是有效的。设现态 为000012=n n n Q Q Q ，代入状态方程，可得表8.8所示的状态转换真值表。下面对表8.9做简单说明：表中第一行取值，在现态000012=n n n Q Q Q 时，先计算Q 2和Q 0的次态为 011012=++n n Q Q ，由于CP1=Q0，其由0跃变1为正跃变（上升沿），故FF1保持0态不变， 这时0011 1112=+++n n n Q Q Q 。表中第二行取值，在现态为001012=n n n Q Q Q 时，得 001012=++n n Q Q ，故此时CP 1=Q 0，信号由1变成0，为负跃变（下降沿），使FF 1由0态翻 转为1态，这时0101 1112=+++n n n Q Q Q 。其余以此类推。 3.逻辑功能说明 有表8.9可知，在输入第5个计数脉冲时，返回初始000状态，同时Y 输出一个负跃变 信号，因此该电路为异步五进制计数器。 4.状态转换图和时序图 如下图8.42所示。 Q 2Q 1Q 0 /Y CP Q 0 Q 1Q 2 (a)状态转换图 (b)时序图 图8.42 状态转换图和时序图 时序逻辑电路的分析方法 时序逻辑电路的分析：根据给定的电路，写出它的方程、列出状态转换真值表、画出状态转换图和时序图，而后得出它的功能。 同步时序逻辑电路的分析方法 同步时序逻辑电路的主要特点：在同步时序逻辑电路中，由于所有触发器都由同一个时钟脉冲信号CP来触发，它只控制触发器的翻转时刻，而对触发器翻转到何种状态并无影响，所以，在分析同步时序逻辑电路时，可以不考虑时钟条件。 1、基本分析步骤 1）写方程式： 输出方程：时序逻辑电路的输出逻辑表达式，它通常为现态和输入信号的函数。 驱动方程：各触发器输入端的逻辑表达式。 状态方程：将驱动方程代入相应触发器的特性方程中，便得到该触发器的状态方程。 2）列状态转换真值表： 将电路现态的各种取值代入状态方程和输出方程中进行计算，求出相应的次态和输出，从而列出状态转换真值表。如现态的起始值已给定时，则从给定值开始计算。如没有给定时，则可设定一个现态起始值依次进行计算。 3）逻辑功能的说明： 根据状态转换真值表来说明电路的逻辑功能。 4）画状态转换图和时序图： 状态转换图：是指电路由现态转换到次态的示意图。 时序图：是在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。 5）检验电路能否自启动 关于电路的自启动问题和检验方法，在下例中得到说明。 2、分析举例 例、试分析下图所示电路的逻辑功能，并画出状态转换图和时序图。 解：由上图所示电路可看出，时钟脉冲CP加在每个触发器的时钟脉冲输入端上。因此，它是一个同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写。 ①写方程式： 输出方程： 驱动方程： 状态方程： ②列状态转换真值表： 状态转换真值表的作法是： 从第一个现态“000”开始，代入状态方程，得次态为“001”，代入输出方程，得输出为“0”。 课题：时序逻辑电路分析（公开课教案） 教学目的： 1、掌握时序电路的概念、电路构成与组合电路的区别、分类； 2、正确掌握基本概念：时序电路、同步、异步、现态、次态、驱动方程、状态方程、 状态转换真值表、状态图、时序图、自启动； 3、掌握同步时序电路的分析方法（通过举例说明）。 教学重点： 1、同步时序电路的分析方法； 2、从状态方程填状态转换真值表的方法； 3、基本概念的正确掌握。 教学难点： 1、同步时序电路的分析方法； 2、从状态方程填状态转换真值表的方法； 教学方法： 1、多媒体教学、项目引入、引导式教学。 教学过程： 一、复习：触发器的逻辑功能的表示方法有哪些？相互转换？特别：与或式→真值表？JK 触发器和D 触发器的特性方程？ 二、新授 1、时序逻辑电路的一般分析方法 时序逻辑电路的特点 在时序逻辑电路中，任意时刻的输出信号不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，即与以前的输入和输出信号也有关系。 触发器、计数器、寄存器都是时序电路 引例：简单的时序电路分析 输出方程、驱动方程、状态方程 (1)波形分析： (4)时序图 即工作波形图 2、时序逻辑电路的一般分析方法 （1）分析逻辑电路组成：确定输入和输出，区分组合电路部分和存储电路部分，确定是同步电路还是异步电路。 （2）写出存储电路的驱动方程，时序电路的输出方程，对于某些时序电路还应写出时钟方程。 （3）求状态方程：把驱动方程代入相应触发器的特性方程，即可求得状态方程，也就是各个触发器的次态方程。 （4）列状态表：把电路的输入信号和存储电路现态的所有可能的取值组合代入状态方程和输出方程进行计算，求出相应的次态和输出。列表时应注意，时钟信号CP 只是一个操作信号，不能作为输入变量。在由状态方程确定次态时，须首先判断触发器的时钟条件是否满足，如果不满足，触发器状态保持不变。 （5）画状态图或时序图。 （6）电路功能描述。 3、时序逻辑电路分析实例 例1 分析图7.4所示电路的逻辑功能。设起始状态是 000123 Q Q Q 解：（1）分析电路,写驱动方程； （2）求状态方程 ； （3）写输出方程 ； （4）将输入信号和现态的各种取值组合代入状态方程，得到状态表； （5）由状态表作状态图； 实验二 时序逻辑电路的设计 一、实验目的： 1、 掌握时序逻辑电路的分析方法。 2、 掌握VHDL 设计常用时序逻辑电路的方法。 3、 掌握时序逻辑电路的测试方法。 4、 掌握层次电路设计方法。 5、 理解时序逻辑电路的特点。 二、实验的硬件要求： 1、 EDA/SOPC 实验箱。 2、 计算机。 三、实验原理 1、时序逻辑电路的定义 数字逻辑电路可分为两类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路中不包含记忆单元（触发器、锁存器等），主要由逻辑门电路构成，电路在任何时刻的输出只和当前时刻的输入有关，而与以前的输入无关。时序电路则是指包含了记忆单元的逻辑电路，其输出不仅跟当前电路的输入有关，还和输入信号作用前电路的状态有关。 2、同步时序逻辑电路的设计方法 同步时序逻辑电路的设计是分析的逆过程,其任务是根据实际逻辑问题的要求，设计出能实现给定逻辑功能的电路。同步时序电路的设计过程： （1）根据给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表。 ①明确电路的输入条件和相应的输出要求，分别确定输入变量和输出变量的数目和符号； ②找出所有可能的状态和状态转换之间的关系； ③根据原始状态图建立原始状态表； （2）状态化简---求出最简状态图。 合并等价状态，消去多余状态的过程称为状态化简。 等价状态：在相同的输入下有相同的输出，并转换到同一个次态去的两个状态称为等价状态。 （3）状态编码（状态分配）。 给每个状态赋以二进制代码的过程。 根据状态数确定触发器的个数，n n M 221 -≤∠（M 为状态数；n 为触发器的个数）。 （4）选择触发器的类型。 （5）求出电路的激励方程和输出方程。 （6）画出逻辑图并检查自启动能力。 3、时序逻辑电路的特点及设计时的注意事项 ①时序逻辑电路与组合逻辑电路相比，输出会延时一个时钟周期。 ②时序逻辑电路一般容易消除“毛刺”。 ③用VHDL 描述时序逻辑电路时，一般只需将时钟信号和异步控制（如异步复位）信号作为敏感信号。 第六章 时序逻辑电路 【题 】 分析图时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图，说明电路能否自启动。 Y 图P6.3 【解】驱动方程: 11323131233 J =K =Q J =K =Q J =Q Q ;K =Q ?? ??? 输出方程:3Y Q = 将驱动方程带入JK 触发器的特性方程后得到 状态方程为: n+11313131n 1 2121221n+1 3321 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q +?=+=?=+=⊕??=?e 电路能自启动。状态转换图如图 【题 】 分析图时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。A 为输入逻辑变量。 图A6.3 Y 图P6.5 【解】 驱动方程: 12 21212() D AQ D AQ Q A Q Q ?=??==+?? 输出方程: 21Y AQ Q = 将驱动方程带入JK 触发器的特性方程后得到状态方程为: n+1 12 n+1 212() Q AQ Q A Q Q ?=??=+?? 电路的状态转换图如图 1 图A6.5 【题 】 分析图时序电路的逻辑功能，画出电路的状态转换图，检查电路能否自启动，说明电路能否自启动。说明电路实现的功能。A 为输入变量。 A Y 图P6.6 【解】驱动方程: 11221 1 J K J K A Q ==?? ==⊕? 输出方程: 1212Y AQ Q AQ Q =+ 将驱动方程带入JK 触发器的特性方程后得到状态方程为: n+111 n+1 2 12 Q Q Q A Q Q ?=??=⊕⊕?? 电路状态转换图如图。A ＝0时作二进制加法计数，A ＝1时作二进制减法计数。 01图A6.6 【题 】 分析图时序电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图，说明电路能否自启动。 7．2．2异步时序逻辑电路的分析方法 异步时序逻辑电路的分析方法和同步时序逻辑电路的基本相同，但在异步时序逻辑电路中，只有部分触发器由计数脉冲信号源CP触发，而其它触发器则由电路内部信号触发。 在分析异步时序逻辑电路时，应考虑各个触发器的时钟条件，即应写出时钟方程。这样，各个触发器只有在满足时钟条件后，其状态方程才能使用。这也是异步时序逻辑电路在分析方法上与同步时序逻辑电路的根本不同点，应引起足够的重视。 分析举例 例、试分析下图所示电路的逻辑功能，并画出状态转换图和时序图。 解：由上图可看出，FF1的时钟信号输入端未和输入时钟信号源CP相连，它是由FF0的Q0端输出的负跃变信号来触发的，所以是异步时序逻辑电路。 ①写方程式： 时钟方程：ＣＰ０＝ＣＰ２＝ＣＰ FF０和FF２由CP的下降沿触发。 ＣＰ１＝Ｑ０ FF１由Q０输出的下降沿触发。 输出方程： 驱动方程： 状态方程： ②列状态转换真值表： 状态方程只有在满足时钟条件后，将现态的各种取值代入计算才是有效 的。 设现态为＝000，代入输出方程和状态方程中进行计算，可以得出该逻辑电路的状态转换真值表： 现态次态 输 出 时钟脉冲 Y C P2 C P1 C P0 0000010 0010100 0100110 0111000 1000001 表中的第一行取值，在现态＝000时，先计算次态为＝01，由于CP１＝Q０，其由0跃到1为正跃变，故FF１保持0态不变，这时 ＝001。表中的第二行取值，在现态为＝001时，得＝00，这时CP１＝Ｑ０由1跃到0为负跃变，FF１由0态翻到1态，这时＝010。其余依此类推。 ③逻辑功能说明： 由上表可看出，该电路在输入第5个计数脉冲时，返回初始的000状态，同时输出端Y输出一个负跃变的进位信号，因此，该电路为异步五进制计数器。 ④状态转换图和时序图。 触发器时序逻辑电路 习题答案 第4章 触发器 4.3 若在图4.5电路中的CP 、S 、R 输入端，加入如图4.27所示波形的信号，试画出其 Q 和Q 端波形，设初态Q =0。 S R CP 图4.27 题4.3图 解：图4.5电路为同步RS 触发器，分析作图如下： S R Q 4.5 设图4.28中各触发器的初始状态皆为Q =0，画出在CP 脉冲连续作用下个各触发器输出端的波形图。 Q 1 1CP Q 3 CP CP Q 2Q 6 Q 4 Q 5 CP 图4.28 题4.5图 解： Q Q n n 11 1 =+ Q Q n n 212=+ Q Q n n 313=+ Q Q n n 414=+ Q Q n n 515=+ Q Q n n 616=+ Q 1CP Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6 4.6 试写出 图4.29(a)中各触发器的次态函数（即Q 1 n+1 、 Q 2 n+1与现态和输入变量之间的函数式），并画出在图4.29（b ）给定信号的作用下Q 1 、Q 2的波形。假定各触发器的初始状态均为Q =0。 1 A B CP ＞1D C1 =1 A B Q 1 Q 2 Q 2 (a) B A (b) 图4.29 题4.6图 解：由图可见： Q B A AB Q n n 111)(++=+ B A Q n ⊕=+1 2 B A Q 2 Q 1 4.7 图4.30（a ）、（b ）分别示出了触发器和逻辑门构成的脉冲分频电路，CP 脉冲如图4.30（c ）所示，设各触发器的初始状态均为0。 （1）试画出图（a ）中的Q 1、Q 2和F 的波形。 （2）试画出图（b ）中的Q 3、Q 4和Y 的波形。 Y （b ） （c ） CP Q 1 Q 2 （a ） 图4.30 题4.7图 解： （ a ） Q Q n n 211 =+ Q Q n n 1 12=+ Q F 1CP ⊕= R 2 = Q 1 低电平有效 CP Q 1Q 2F （b ） Q Q Q n n n 431 3 =+ Q Q Q n n n 4314=+ Q Q Y n n 43= CP 3= CP 上降沿触发 CP 4= CP 下降沿触发 A、与当时的输入信号有关，与电路的原状态无关。 B、与当时的输入信号有关，与电路的原状态有关。 C、与当时的输入信号无关，与电路的 原状态有关。 D、 2、时序逻辑电路中必须含有： A、存储电路 B、编码器 C、加法器 D、 3、同步时序逻辑电路所有触发器的时钟输入端都接同一个时钟脉冲。 A、各触发器不同时具备触发翻转的条 件 B、各触发器同时具备触发翻转的条件 C、各触发器的触发翻转有先有后 D、 4、异步时序逻辑电路各触发器的时钟输入所接不是同一的时钟脉冲。 A、结构简单，速度快 B、结构复杂，速度慢 C、结构简单，速度慢 D、 5、异步时序逻辑电路，各触发器： A、触发翻转有先有后 B、同时触发翻转 C、无法确定 D、 第二题、多项选择题（每题2分，5道题共10分） 1、时序逻辑电路从结构上讲，包含有： A、存储元件 B、触发器或含有反馈延迟电路 C、译码器 2、时序逻辑电路的输出信号： A、与当时的输入信号无关 B、与当时的输入信号有关 C、与电路的原状态有关 D、与电路的原状态无关 3、同步时序逻辑电路： A、所有触发器的时钟输入端都接同一个时钟脉冲 B、各触发器同时具备触发翻转的条件 C、速度快；结构简单 D、速度快；结构复杂 4、时序逻辑电路的逻辑功能可用（）来描述。 A、状态方程 B、状态表 C、状态图 D、时序图 5、时序逻辑电路的分析是指已知逻辑图： A、列写逻辑方程式 B、计算状态表 C、画电路的状态图 D、画电路的时序图 E、判定电路的功能 第三题、判断题（每题1分，5道题共5分） 1、时序逻辑电路中必须含有存储电路。 正确错误 2、时序逻辑电路中的存储电路只能用延迟元件组成，不能用触发器构成。 正确错误 3、同步时序逻辑电路各触发器同时具备触发翻转的条件。 正确错误 4、异步时序逻辑电路结构简单，速度慢。 异步时序逻辑电路的设计 1.实验目的 熟悉并掌握脉冲异步逻辑电路的分析方法，加深对异步时序逻辑电路的理解，掌握时序逻辑电路的设计方法及如何消除临界竞争。 2.实验器材 二输入与非门74LS00 反向器 74LS04 三输入与非门 74LS10 3.实验内容 用电平异步时序逻辑电路实现下沿触发的D 触发器 典型输入时间图如下： X2(CP) X1(D) Z(Q) 2 6 1 5 7 1 6 3 4 3 1 6 7 5 5 8 4 5 4.实验步骤 建立原始流程表按照输入信号的变化进行时间的划分，由题意可知设立8中不同状态，见上图 画出原始流程表： 状态激励状态及输出 X2X1 00 01 11 10 1 ①/02/0 D/d 3/0 2 1/0 ②/04/0 d/d 3 1/0 d/d 4/0 ③/0 4 d/d 5/d ④/03/0 5 8/1 ⑤/16/1 D/d 6 d/d 5/1 ⑥/17/1 7 1/d d/d 6/1 ⑦/1 8 ⑧/15/1 d/d 7/1 化简流程表 2 Y 3 Y Y 4 2, 5 2,5 Y 5 N N N N 6 N N N N Y Y2 Y1 0 1 0 1 7 N N N N Y N 8 N N N N Y Y N 1 2 3 4 5 6 7 画出状态合并图： 选择最小闭覆盖{（231）（4）（568）（7）}并且用ABCD 分别表示： 画出状态相邻图; A D B C 1 2 3 8 7 4 5 6 A D C B Y2Y1 X2X1 Y2Y1 X2X1 X2X1 Y2Y1 状态编码设二次状态用y2y1表示，用00,01,11,10分别表示A,B,C,D 四种状态，最简二进制流程表如图; 二次状态 Y2Y1 激励函数/Y2Y1和输出Z X2X1=00 X2X1=01 X2X1=11 X2X1=10 00 00/0 00/0 01/0 00/0 01 Dd/d 11/d 01/0 00/0 11 11/1 11/1 11/1 10/1 10 00/d dd/d 11/1 10/1 画出卡诺图并求出激励函数和输出函数; Y2； 00 01 11 10 00 0 0 0 0 01 d 1 0 0 11 1 1 1 1 10 0 d 1 1 Y2=1 2 2 221 y x x y x y ?? Y1; 00 01 11 10 00 0 0 1 0 01 d 1 1 0 11 1 1 1 0 10 0 1 Y1=2 1 2 111 x y x x y x ?? Z 00 01 11 10 00 0 0 0 0 01 d d 第五章常用时序集成电路模块及其应用 用常用时序中规模集成模块设计数字电路仍是目前组成数字系统的主要设计方法，熟悉和掌握时序中规模集成模块的基本工作原理及其应用也是数字电子技术课程的主要任务。本章要求学生认识时序模块的国标符号、逻辑符号和时序电路模块的功能表，进而掌握用时序模块和其他电路组成的应用电路。 第一节基本知识、重点与难点 一、基本知识 （一）常用时序模块 在实际中有许多MSI产品可供选用，掌握了这些产品的逻辑功能、性能指标和使用方法，就可以方便地利用它们构成具有各种功能的数字电路，而无需采用单元触发器和门电路进行设计。 （二）计数器及其应用 计数器是用来计算输入脉冲数目的时序逻辑电路，是数字系统中应用最广泛的基本单元之一。它是用电路的不同状态来表示输入脉冲的个数。计数器所能计算脉冲数目的最大值（即电路所能表示状态数目的最大值）称为计数器的模（M）。 按进位方式，计数器可分为同步和异步两类。同步计数器的所有触发器共用一个时钟脉冲，时钟脉冲就是计数的输入脉冲。异步计数器只有部分触发器的时钟信号是计数脉冲，而另一部分触发器的时钟信号是其他触发器或组合电路的输出信号，因而各级触发器的状态更新不是同时发生的。 按进位制方式，计数器可分为二进制和非二进制（包括十进制）。 按逻辑功能方式，计数器可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器等。加法计数器的状态变化和数的依次累加相对应。减法计数器的状态变化和数的依次递减相对应。可逆计数器由控制信号控制实现累加或递减，可实现加法或减法计数。 若计数脉冲为一周期性信号，则模为M的计数器输出信号的频率为计数脉冲频率的1/M，也就是说，计数器具有分频的功能，可作为数字分频器使用。 工程中经常用到的序列信号发生器，也可由计数器设计而成。 （三）寄存器及其应用 寄存器与移位寄存器均是数字系统中常见的逻辑模块。寄存器用来存放二进制数码，移位寄存器除具有寄存器的功能外，还可将数码移位。 1.寄存器 寄存器用来存放二进制数码。事实上每个触发器就是一位寄存器。74175是由四个具有公共清零度端的上升沿D型触发器构成的中规模集成电路。 2.移位寄存器 移位寄存器具有移位功能，即除了可以存放数据以外，还可将所存数据向左或向右移位。 移位寄存器有单向移位和双向移位之分，还常带有并行输入端。74195是带有并行存取功能的四位单向移位寄存器。74194是可并行存取的四位双向移位寄存器，是一种功能比较齐全的移位寄存器，它具有左移、右移、并行输入数据、保持以及清除等五种功能。 利用移位寄存器可以很方便地将串行数据变换为并行数据，也可以将并行数据变换为串行数据。计算机中外部设备与主机之间的信息交换常常需要这种变换。第六章 异步 时序逻辑电路 教案
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